Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Когда Вселенной еще не было

Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.

Первая квантово-космологическая «безумная идея» пришла в голову Эдварду Трайону из Хантеровского колледжа при Университете Нью-Йорка. Это было в далеком 1970 году на одном из физических семинаров. Рассказывают, что это было что-то вроде озарения. Доклад был посвящен совершенно другой теме, и во время какой-то паузы Трайон вдруг выкрикнул: «Может быть, Вселенная — это вакуумная флуктуация?!» По сути Трайон был прав. Он понимал (благодаря квантовой теории), что вакуум не пуст и никогда не может быть неподвижным и пустым! Все потому, что действует соотношение неопределенностей. Поскольку в квантовых масштабах всегда есть взаимная неточность в энергии и во времени, в совершенно пустом пространстве (напрочь лишенном какого бы то ни было присутствия вещества) могут на короткое время вдруг появляться элементарные частицы. Это особые частицы. Они есть своего рода «привидения» квантового мира. Но они — не абсолютное «ничто». Они наделены существованием, только каким-то странным: их энергия, их время как бы взяты взаймы у тотальной квантовой неопределенности природы. Вся их жизнь — мимолетная вспышка энергии в результате неустранимой неопределенности в ее значениях. Физики называют эти частицы «виртуальными», а событие их появления — квантовой флуктуацией. А что, если Вселенная рождается, как виртуальная частица, из вакуума? Что, если наша Вселенная — просто квантовая флуктуация?

Коллеги сочли заявление Трайона шуткой. Но он не шутил. Его предположение основывалось на том, что энергия замкнутой вселенной всегда равна нулю. Это хорошо известный математический факт. Энергия материи положительна, гравитационная энергия — отрицательна, и оказывается, что в замкнутой вселенной их вклады в точности сокращаются. Таким образом, если вселенная с суммарной энергией, равной нулю, рождается как квантовая флуктуация, то для ее рождения ничего не потребуется, ничего «брать взаймы» не нужно. Тогда время жизни подобной флуктуации может быть сколь угодно большим.

У трайоновской теории возникновения мира была одна, так сказать, «логическая» проблема. Дело в том, что эта теория по существу не объясняет, откуда произошла Вселенная. В принципе, объединив средства квантовой теории поля и ОТО, можно последовательно описать, как крошечная замкнутая вселенная отделяется от уже существующей области пространства. Это сделал в 1973 году харьковский физик Петр Фомин (в статье Трайона того же года этого сделано не было). Возможно, и сама идея возникла впервые именно у Фомина — он назвал это гравитационной неустойчивостью. Статья Трайона была опубликована в престижнейшем физическом журнале «Nature». А Петр Фомин не имел возможности попасть в это издание и опубликовал свою работу в УССР.

Но независимо от того, кто был первым, идея такого начала Вселенной страдает все той же «болезнью» регрессии. Действительно, Вселенная возникает как квантовая флуктуация вакуума, пустого пространства. Но откуда взялось само пространство? Мы ведь ведем речь о начале всей Вселенной!

Кроме того, непонятно, как родившаяся вселенная может быть такой большой. Ведь новорожденная вселенная должна быть планковских размеров — примерно 10–33 см. При таком размере вселенная сразу же после появления моментально сожмется обратно, в сингулярность — сколлапсирует! Никакой большой вселенной, таким образом, не получится. В принципе, поскольку полная энергия замкнутой вселенной равна точно нулю, она может родиться сразу большой. Но вероятность этого события примерно такая же, как у того, что стая галдящих под вашим окном воробьев вдруг прочирикает от начала до конца пятую симфонию Бетховена.

Размышляя о том, может ли вселенная возникнуть как флуктуация или гравитационная неустойчивость вакуума, старший научный сотрудник Харьковского физико-технического института Петр Фомин не знал, что в том же городе Харькове живет один удивительно способный и скромный молодой человек, которому суждено в недалеком будущем войти в тройку самых выдающихся космологов современности. Молодого человека звали Александр Виленкин. Его отец, Владимир Виленкин, был доцентом геолого-географического факультета Харьковского университета. Когда Трайон шокировал коллег странной идеей о Вселенной как квантовой флуктуации, на другом конце Земли, в Харькове, Виленкин-младший оканчивал университет, который двадцатью годами раньше окончил и Петр Фомин. Но космологией в Харькове заниматься было негде, а ничем другим Александр Виленкин заниматься не хотел. Будущая звезда космологической науки работал сторожем в кафе, даже успел пройти службу в рядах советской армии. Но при нем всегда были ручка и блокнот — это все, что ему было нужно. И вот, наконец, справедливость торжествует, все становится на свои места. Большой вопрос, кто кому оказал честь, но в 1976 году Александр Виленкин эмигрирует в США, а через год сдает экзамены в Бостонский университет, где получает самый высокий балл за всю его историю. Он становится доктором наук, и вскоре его приглашают на должность профессора в космологический институт Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, где сейчас он занимает пост директора.

Помните, как шарик «просачивался» сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может «перепрыгнуть» холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между «планковскими» размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень «философски выдержанная» идея, хотя речь идет о чистой физике.

Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.

Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.

Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.

Итак, вселенная рождается из ничего?!

Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает «ничто»? И если в результате появляется вполне реальное «нечто», то почему и зачем «ничто» тунеллирует?

Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.

Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если «где-то» происходит «что-то». Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы — это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время — как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, — существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди «ничего» и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.